雷电形成之谜探秘

仲夏时节，每当天空乌云翻滚、狂风呼啸之际，一场大雨即在眼前。这时，就会有一道道闪光划破云幕，婉如条条金蛇飞窜，紧接着就会传来一声声震耳欲聋的霹雳，这就是自然界中威力无比的雷电。
雷电是空中云层发生的大气放电现象。据统计，地球上平均每秒钟就有上百次电闪雷鸣发生，可见，这是一种发生频率很高的自然现象。由于云层放电时，将产生剧烈高温、强电流及电磁辐射和冲击波，因而常常造成飞行事故，引发地面火灾，破坏通讯设施和输电系统，给人们生活和社会活动带来了许多灾害。
在遥远的古代，由于人们对自然界缺乏认识，看到雷电引起的森林火灾和雷击事件，往往十分恐惧，以为这是上天的力量，因而编撰了许多神话传说。在中国古代民间，把雷电视为天神，流传着的“雷公”“电母”惩罚恶人的故事。在古希腊神话中，雷电被誉为万神之王宙斯手中震慑群神和人类的武器。只是到了近代，人们才从科学的角度对雷电现象有所认识。1752年７月，美国科学家富兰克林做了一次震惊世界的试验，利用风筝捕捉雷电，成功地把雷电从天空中引导下来，从而揭开了雷电现象电本质的秘密。
现在人们已经弄清楚了，雷电形成于一种叫积雨云的云层中，这种云是炎热季节里暖空气和冷空气发生强烈对流的产物，具有云体高大、云冠高耸之特点。当积雨云云层界面所积累的电荷形成的电位差达到1万伏特时，大气就会发生电离而被击穿，产生放电现象。由于在十万分之几秒的极短时间里，1万至10万安培的峰值电流在直径仅几厘米的闪电通道内通过，所以闪电通道会迅速增温至几万度，并产生爆炸式膨胀。闪电通道在以30～50个大气压向外膨胀过程中，形成了冲击波，以5公里/秒的高速度向四周扩散，然后逐渐衰减为声波，这就是我们所听到的隆隆雷声。此时，炽热的高温使闪电通道内的空气完全电离，发出耀眼的光亮，这就是我们看到的电闪。因为光速快于声速，所以发生雷电时，总是先看到电闪，后听到雷声。
但是，时至今日仍使科学家们迷惑不解的是，为什么翻腾不息呈电中性的云朵，会突然间变成高压放电器？是什么力量使云层极化出如此大量的异性电荷呢？
关于雷电的成因，学术界流行着几种假说。一种假说认为，雷电形成于“温差起电效应”。一般说来，积雨云内的气温可从10℃降到零下30℃～40℃，因而云体内存在着水汽、水滴、冰晶，以及过冷水滴和雪花、冰晶的混合物——霰。当积雨中的冰晶和霰粒发生碰撞摩擦时，会使霰粒表面局部温度上升，与冰晶形成温度差。在温差起电效应的作用下，冰晶和霰粒分别带上了正电荷和负电荷。随着云中的空气对流，逐渐形成正负电荷的明显分区，于是产生了电位差。当电位差达到一定程度时，就会发生大气放电现象。
这一假说虽然解释了积雨云中正负电荷的产生机制，但是并没有阐明电荷的极化过程，难道说仅仅依靠空气的对流就能使正负电荷发生分离吗？理由显然是不充足的。
还有一种假说认为，降雨也许是驱使正负电荷分开的原因。其观点是，以大雨滴或冰珠形式倾泻而下的雨水携带着负电荷，这样，像小尘粒和冰晶带有正电荷的微粒就会在云层上端积聚起来，结果产生了足以引起闪电的电场。
为了验证这一假说，美国一些科学家利用雷达来测试闪电之后降雨速度的变化情况。按道理说，假如雨滴是逆电场力而降落，速度必然受阻，闪电之后，电场强度减弱，降雨速度就应自然加快。然而，试验的结果是，闪电前后降雨的速度并没有什么变化。这就意味着，降雨不是驱使正负电荷分开的原因。
那么，雷电到底是怎样形成的呢？在此，本文提出一种观点，认为云层中的电场是通过电磁感应效应形成的。
根据电磁感应理论，在磁场中做切割磁力线运动的导体，将在导体两端产生感生电动势。我们知道，地球本身就是一个天然大磁体，地磁场的S极在地理北极附近，N极在地理南极附近。如果把含有大量离子和带电粒子的积雨云视为导体，那么当它东西方向飘移时，所做的就是切割地磁场磁力线的运动，因而将在云层上下两端极化出异性电荷。
根据感生电动势公式：E = BLV sinθ，云层上下两端所形成的电场强度与云冠高度和云朵的运动速度成正比。一般情况下，云层高度在不小于3000～4000米时方能发生雷电，这相当于切割磁力线导体的长度。而积雨云的云冠高度往往在8000～12000米之间，所以雷电更多地发生在积雨云中。经验告诉我们，在雷雨天气里，必伴有很强的风势，而风力的大小直接决定了云朵的运动速度，风势越大，雷电的放电强度就越高。云朵的运动方向与南北磁力线的夹角，也是决定雷电强度的一个重要因素。当夹角为零时，亦即云朵南北方向运动时，sinθ= 0，意味着在云层中不会极化出异性电荷。当夹角为90°时，亦即云朵由东向西运动时，sinθ= 1，根据右手定则判断，云层上端集结的是正电荷，下端集结的是负电荷，届时将发生最为激烈的大气放电现象。根据云层电荷的极化过程可知，雷电之能来源于风能。
略作计算表明，若云冠高度为10000米，云朵运动速度为50米/秒，θ=90°，地磁场强度B=5×10-5特斯拉，那么，在云层上下两端每秒钟集结的电荷就可以产生25伏特的电位差，400秒内所产生的感生电位差就可以达到1万伏特。如果考虑其他因素的影响，通常情况下，积雨云只需10～20分钟的时间，即可完成大气放电所需要的电荷积累，这一点与我们的日常经验相符。
雷电，按云层的放电部位可将其分为以下四类：云内闪电、云际闪电、联珠状闪电和云地闪电。
以一块云层的上下两端为基点，在一块云体内部发生的大气放电现象，称为云内闪电。这种闪电发生时，看上去呈带状闪光，它是由连续几次放电过程所组成。
雷电若是发生在上下两块云层之间，则被称为云际闪电，这种闪电发生的前提条件是两块云朵的运动方向相同。在电磁感应效应作用下，处在上方的云朵的底端界面，与处在下方的云朵的顶端界面，两个部位所集结的电荷性质正好相反。当云层间距适当时，就会发生大气放电现象。这种闪电发出的光透过云层，就像树干伸出许多树枝一样，在空中快速曲折地行进，它是自然界中最常见的一种闪电。
云际间还发生一种闪电，发生这种闪电的云朵不同之处在于，两块云朵虽处在同一高度，但运动方向却是相对的，基本是一块云朵由东向西运动，而另一块云朵则是由西向东运动。根据电磁感应的右手定则判断，在两块云朵的同一界面，将分别极化出两种性质不同的电荷。即由东向西运动的云朵，顶端界面集结的是正电荷，底端界面集结的是负电荷；而由西向东运动的云朵，顶端界面集结的则是负电荷，底端界面集结的是正电荷。当这两块积雨云在空中平行相遇时，同一界面间的异性电荷就会相互吸引，在云际边缘发生多点大气发电现象，这就是所谓的联珠状闪电。曾有人看到过这种闪电，一连串球状闪光就像一长串佛珠，挂在以云幕为背景的天际，景象甚为壮观。由于形成这种闪电条件特殊，需要两股对流的空气以相反的风向推动云朵运动，所以联珠状闪电在自然界中极为罕见。
在诸类闪电中，对人们生活影响最多、危害最大的就是云地闪电，它是云层对大地的一种放电现象。富兰克林利用风筝捕捉雷电的试验，就属于这种放电形式。在长期的社会实践中，人们为了预防这种类型闪电的雷击，对高空建筑物采取了一系列保护措施，发明了避雷针等避雷设施。但云地闪电发生时产生的强大电磁脉冲，仍时常使通电、通讯系统遭到破坏。
雷电，自然界中这一最为壮观的大气放电现象，曾给人类文明播下了火种，相信在不远的将来，雷电所蕴藏的巨大能量，一定会为人类所利用，为社会造福。